专利名称:数字反馈式两次采样高精度模-数转换器的制作方法本发明是关于两次采样模-数转换器的改进。本发明可用来构成高精度数字电压表。两次采样模-数转换器通常是一种复合式高精度转换器，它包含一个低精度A/D转换器和一个高精度D/A转换器。这种转换器的模-数转换是通过两次采样过程束实现的。第一次采样时，由低精度A/D转换器将模拟量(电压)转换为数字量，这相当于高位数。然后，由高精度D/A转换器将该高位数字量转换为模拟量，这相当于被测量的高位值。第二次采样时，再由低精度A/D转换器对被测量与高精度D/A转换器反馈的被测量高位值之差进行转换，得被测量的低位数。高位数与低位数之代数和即代表被测模拟量。在两次采样模-数转换器中，高精度D/A转换器是关键部分，它决定了模-数转换器的精度。日本《NIKKEI ELECTRONICS》杂志于1974年NO、82期发表的八位数0.1ppm高精度数字电压表，采用了磁调制式电流比较仪作为高精度D/A转换器。这种D/A转换器需用价格昂贵的坡莫合金，体积大，成本高。英国SELabs公司的SM215型数字电压表采用了感应式分压器来作高精度D/A转换器，也要采用坡莫合金。日本武田理研生产的TR-6567型数字电压表，采用了电阻网络来作高精度D/A转换器，对电阻和开关要求很高，生产工艺复杂，成本高。上述三种两次采样高精度模-数转换器的共同缺点是体积大，不易集成，成本高。本发明的目的是改进两次采样中的第二次采样方法。改进的实质在于把第一次采样获得的数字量在第二次采样过程中直接反馈回来，而不再转换为模拟量后反馈，从而克服了上述三种高精度A/D转换器的缺点。本发明之所以称为数字反馈式两次采样高精度模-数转换器，是因为在第二次采样过程中，第一次采样所得的高位数是直接以数字方法反馈回来。本发明数字反馈式两次采样高精度模-数转换器的两次采样均通过一般精度的双积分A/D转换器实现。当然，第一次采样也可用任何一种A/D转换器，只要它能获得被测量的高位数即可。在第一次采样中，双积分A/D转换器的上斜时间T1与数字量N1相应，而下斜时间T2h与数字量H2h相应。在第二次采样的上斜过程中，被测量Ex接入的时间与数字量mN1相对应，而基准电压Es接入的时间与数字量mN2h相对应。这可通过计数器N1、N2h和m来实现，实际上就是当可逆计数器N1和N2h减为0后，重又恢复原值N1和N2h，共重复m次，但在每个置数节拍中，N2h≤N1。重复置数m次也可通过一个可逆计数器来实现。在第二次采样的下斜过程中，Ex被切断，而放电所用的基准电压可缩小n倍，为Es/n。这样，在第二次采样中，得低位数N2l。
由于N1和N2h共置入m次，而第二次采样所用的基准电压可缩小为Es/n，故本发明可获得计数容量mnN2h+N2l。这种数字反馈式两次采样模-数转换器只用一般精度的双积分A/D转换器和一些逻辑部件，却可获得高精度A/D转换。由于本发明对模拟器件要求不高，逻辑简单，故易于制成大规模集成电路。
现按图1所示的数字反馈式两次采样高精度模-数转换器的电路图解释如下在第一次采样的上斜过程中，被测量1(±Ex)通过开关6的闭合接入由积分电阻11、积分电容器17和放大器18组成的积分器，对电容器17充电，充电时间T1可通过控制逻辑对可编程计数器30置数N1后的减法计数实现。当N1减为0时，控制逻辑34通过开关控制29和极性检测与检零逻辑28切断开关6，闭合开关7(当被测量为-Ex时)或闭合开关8(当被测量为+Ex时)，接入基准电压，对电容器17进行放电，同时，可编程计数器31从0开始进行加法计数。
电容器17的电荷一旦放完，检零器27的输出使极性检测与检零逻辑28工作，使可编程计数器31停止计数，得计数N2h，这相应于下斜时间T2h。由于双积分A/D的转换精度不够，N2h实际上只反应Ex的高位数。通过第一次采样，可得表达式Exh=Es(T2h)/(T1) =Es(N2hτ1)/(N1τ1) = Es(N2h)/(N1) (1)式中，Exh-被测电压的高位值;
Es-基准电压;
T1-上斜时间;
T2h-下斜时间;
τ1-第一次采样所用的钟频周期;
N1，N2h-相应为可编程计数器30和31中的计数脉冲。
经过一段休止时间，即进入第二次采样过程。这时，可编程计数器30中置入数字N1，31中保留数字N2h，在可编程计数器32中置入数字m，使上斜时间T1重复m次。在上斜过程中，被测电压1(假设为-Ex)通过开关6接入m个节拍，每个节拍的开关导通时间为T1。同时，基准电压2(+Es)通过开关7也接入m个节拍，但在每个节拍的开关导通时间为T2h，时间T1和T2h是通过可编程计数器30和31对预置数N1和N2h进行减法计数来实现。这时，积分器的输出电压为V0=Σj = 1m［1C R∫( j - 1 ) T1j T1EXd t -1CR∫( j - 1 ) T1( j - 1 ) T1+ T2 hESd t］]]>
＝ (EX)/(CR) mT1- (ES)/(CR) mT2h(2)当上斜时间达mT1时，开关6即被切断，而开关7在第m个节拍中可辑程计数器31减为0时被切断。根据Vo的极性判断，极性检测逻辑28作用于开关控制29，接通开关9或10，接入相应的基准电压4(+ (Es)/(n) )或5(- (Es)/(n) )，同时，控制逻辑34使可编程计数器33开始计数，直至检零器27的输出使检零逻辑28工作，令计数器33停止计数时止。这时，积分器的输出电压V0为0V′o＝Vo+ 1/(CR)∫0T2 L]]>(- (Es)/(n) )dt＝Vo- (Es)/(ncR) T2L＝0 (3)由(3)式，得V0CR＝ (Es)/(n) T2l (4)由(2)式得V0CR＝mExT1-mEsT2h考虑到(1)式，得V0CR＝m〔ExT1-ExhT1〕＝mT1〔Ex-Exh〕 (5)由(5)式可见，在第二次采样的m个节拍中，通过mN2h的数字反馈，在本质上就是实现了对被测电压低位值Exl的积分，即(Ex-Exh)mT1＝ExlmT1＝VOCR (6)
由(4)和(6)二式，得Exl＝ (ES)/(mnT1) T2l (7)取两次采样结果的代数和，得被测电压ExEx＝Exh+Exl＝Es(T2h)/(T1) +Es- (T2l)/(mnT1) (8)在第二次采样中，上斜时钟周期τ1可为下斜时钟周期τ2的q倍，故T1＝N1τ1·T2h＝N2h l·T2l＝N2lτ2或T2l＝N2lτ1/q，而(8)式可写成Ex＝Exh+Exl＝ (ES)/(mnqN1) 〔mnqN2h+N2l〕 (9)由(9)式可见，对Ex进行第一次采样可获得高位数N2h。在第二次采样中，通过数字量N2h的反馈和重复反馈次数m，而且在下斜时通过基准电压缩小n倍和计数钟频提高q倍，可使计数容量扩大mnq倍，从而显著地提高了转换精度，而转换时间并不显著增加。
为提高测量速度，第一次采样也可由低精度快速A/D35实现。所得数字量也可作为N2h在第二次采样中进行数字反馈。
图1中逻辑电路34可用单片机、单板机或由分立元件组成逻辑电路;计数电路30、31、32和33可用可预置可逆计数器，可编程计数器或由单片机或微机中的计数定时单元实现，读写存储器36和随机存取存储器也可包含在单片机或单板微机中。除电阻、电容元件外，可把大部分模拟电路和逻辑电路做成一块或两块大规模集成电路。
本发明与已有的两次采样A/D转换器相比，具有如下优点1.在两次采样的第二次采样过程中，采用由逻辑电路实现的数字反馈，精度高，成本低;
2.在一般的双积分A/D转换器的基础上，只需增加若干可编程计数器和单片机或微机或其他逻辑部件，集成度高，体积小;
3.功耗低，可靠性高;
4.适当组合参数m、n和q，可在同一个A/D转换器上获得各种精度和各种速度的模-数转换，使用灵活，适用面宽;
5.可利用一般精度双积分A/D与低精度快速A/D的组合，大大扩展A/D转换器的功能，从而获得测量精度、测量速度和成本的最佳折衷;
6.易于和计算机相连接。
图1 数字反馈式两次采样高精度模-数转换器电路图。
1-输入电压±Ex;2-基准电压+Es;3-基准电压-Es;4-基准电压+Es/n;5-基准电压-Es/n;6、7、8、99、10-开关;11、12、13、14、15-积分电阻;16-相加点;17-积分电容;18-积分放大器;19-漂移寄存电容;20-比较器前置放大器;21、22-确定放大倍数的比例电阻;23、24、25、26-限幅二极管;27-比较器;28-极性与检零逻辑;29-开关控制逻辑;30、31、32、33-可编程计数器;34-A/D控制逻辑，单片机或单板机;35-快速A/D转换器;36-只读存贮器，EPROM;37-随机存取存贮器，RAM。
图2·A两次采样过程中积分器输出波形图。
图2·B两次采样过程中输入电压和基准电压波形图。


数字反馈式两次采样高精度模—数转换器，它基于一般精度的双积分A/D转换器，在第二次采样中，通过控制逻辑、可编程计数器和开关控制来实现数字反馈。以取代已有两次采样A/D转换器中通过高精度D/A转换器所实现的模拟反馈。与已有的两次采样A/D转换器相比。用数字电路实现数字反馈可不用技术复杂、价格昂贵的高精度D/A转换器、集成度高、功耗低、精度高、适用性强、价格低，可用于生产高精度数字电压表。